在对氧气或氮气纯度要求极高的行业——从炼钢和化工生产到半导体制造和医疗应用——低温空气分离长期以来被视为黄金标准，因为它能够以其他任何方法都无法达到的纯度和规模生产氧气和氮气。虽然压力摆动吸附 (PSA)、真空压力摆动吸附 (VPSA) 和膜分离等替代技术在某些领域具有优势，但当需要高纯度和大产量时，低温空气分离仍然是标杆技术。以下各节将对低温空气分离装置（ASU）进行技术概述，并将其与非低温替代方案进行比较，同时解释为什么低温技术在生产高纯度氧气和氮气方面仍然处于领先地位。随着对更清洁、更大容量的工业气体供应的需求不断增长，低温空气分离仍然是现代气体基础设施的核心。
低温空气分离：基本原理和优势
低温空气分离是生产超纯氧气和氮气的标准方法，该过程首先在极低温度下液化大气空气。该过程利用了主要大气气体沸点的差异：氮气在约-196°C液化，氧气在约-183°C液化。在典型的低温空气分离装置（ASU）中，首先过滤环境空气以去除杂质（如水分和二氧化碳），然后通过热交换器进行压缩和冷却。净化后的冷空气被送入蒸馏塔系统（通常为双塔设计），并进一步冷却直至液化。通过分级分馏，高纯氧气从一根塔的底部抽出，高纯氮气从另一根塔的顶部抽出。这种成熟的方法可以生产出纯度高达 99–99.9% O₂ 和 99.999% N₂ 的产品，远远高于非低温方法通常能达到的纯度。
低温空气分离的主要优势包括：
- 超高纯度输出：低温系统能够常规地生产极高纯度的气体。对于氧气，标准系统可提供 99% 以上的纯度（专用装置可达 99.9% 以上），对于氮气，则可达到 99.999% 的纯度（几乎不含氧）。如此高的纯度对于电子制造、航空航天推进系统测试、某些医疗应用以及其他即使是微量污染物也不可接受的工艺至关重要。其他方法通常无法达到如此高的纯度。
- 大批量生产：低温空分装置在高吞吐量方面表现出色。工业规模的装置每天可供应数百甚至数千吨氧气和氮气。这种产能是变压吸附 (PSA) 或膜分离装置无法比拟的。事实上，低温空气分离的经济效益会随着规模的扩大而提高——规模更大的装置受益于更好的热集成和规模经济，使其在高流量运行时效率更高（单位气体效率）。
- 液态产品及储存：低温空气分离技术的独特之处在于，除了气态产品外，还能生产液氧 (LOX) 和液氮 (LIN)。将这些气体液化后，即可在现场低温储罐中储存，并通过罐车将产品运输至场外。许多行业和医院都依赖于外送的液氧或液氮，而这些液氧或液氮均来自低温分离装置。非低温系统（例如变压吸附 (PSA)、变压吸附 (VPSA) 和膜分离）无法生产液态产品——它们只能供应气体——这限制了它们在分销和备用储存应用中的使用。
- 多气体回收：低温装置可以配置为同时生产多种气体。例如，通过增加氩气提取的蒸馏步骤，单个空分装置 (ASU) 可以同时输出高纯度氧气、氮气和氩气。氩气（用于焊接、照明和电子行业）通常作为有价值的副产品在大型空分装置中回收。相比之下，变压吸附 (PSA) 或膜分离系统通常设计用于生产一种主要气体（氧气或氮气），而空气中的其他成分则不会被捕获（通常排放回大气）。
尽管低温空气分离具有诸多优势，但其复杂性和成本也相当高昂。建造和运营低温装置需要大量资金投入，用于购置压缩机、膨胀机、蒸馏塔（冷箱）以及复杂的换热网络等设备。由于空气压缩和制冷需要消耗大量能量，该工艺属于高能耗工艺；与小规模的简易方法相比，低温生产每立方米气体的耗电量更高。此外，低温空气分离装置的运行灵活性较差——它们通常设计为在稳定负荷下连续运行，启动或停机可能需要数小时才能完成设备的冷却或升温。这些因素意味着，低温装置最适用于需要连续生产超高纯度或超大产量的产品。在这些情况下，低温分离的卓越性能足以弥补其成本。
大型工业低温空气分离装置
大多数低温空气分离装置都位于大型工业园区内，这些园区对氧气和氮气的需求量巨大且持续不断。例如，大型钢铁厂的碱性氧气转炉每小时可能消耗数万立方米氧气，而石化设施或气化厂也可能需要类似规模的氮气或氧气流量。为了满足这些需求，大型空气分离装置（ASU）每小时可生产 5,000 至 20,000 以上的氧气（相当于每天数百吨）。这些装置通常配备多个高耸的蒸馏塔和完善的热回收系统，以最大限度地提高效率。此类大型低温空气分离装置针对大规模连续稳定运行进行了优化。它们充分利用了规模经济——在高产量下，单位气体所需的能量低于生产相同数量的小型装置。大型空分装置通常通过管道将气态氧直接输送到附近的工艺流程（例如，为炼钢炉或环氧乙烷反应器供氧），同时将现场储罐装满液氧和液氮，作为备用供应或分发给其他客户。
现代低温空分装置采用热集成和先进的过程控制技术来优化能源利用，但它们仍然是耗电量巨大的设备。此类装置通常设计为可不间断运行，具有极高的可靠性。许多装置配备备用系统或多条生产线以应对关键应用，确保即使一条生产线停机维护，其他生产线也能接替其工作。当需要大规模生产超高纯度和高可靠性的产品时，这些低温空分装置是首选技术。能够连续生产大量产品，并具备内置的备用和存储功能，是全球工业气体供应链的基石。
紧凑型和实验室规模的低温空气分离装置
虽然低温空气分离技术通常与大型装置联系在一起，但该技术也已被应用于小型紧凑型装置，以满足特定用途。这些小型化或模块化的低温空气分离装置适用于现场需要少量高纯度气体或液体，但大型空气分离装置或定期配送不切实际的场合。例如，一些研究实验室和医疗机构使用小型液氮发生器，每小时可生产几升液氮（或每天几十升）。此类装置通常采用紧凑型低温冷却器和蒸馏塔，使实验室能够拥有自己的液氮供应，用于冷却和储存，而无需依赖配送。同样，还有一些小型低温氧气发生器，可以以仅几十 Nm³/h的速率连续产生高纯度 O₂（99% 或以上）——适用于中型医院或需要氧气支持但距离供应商太远的偏远地区。
这些紧凑型低温空分装置（ASU）采用相同的基本原理（液化空气并进行蒸馏），但规模较小。它们通常是预封装的撬装式系统，配备自动化控制系统，旨在尽可能简化操作。即便如此，与同等容量的非低温空分装置相比，它们仍然更加复杂，维护也更加繁琐。值得注意的是，小型低温系统的单位气体能耗相对较高；它们无法像大型装置那样获得高热力学效率。因此，小型低温装置通常仅在应用绝对需要低温级性能时才适用——无论是生产低温液体还是超高纯度气体——且规模有限。在纯度达到 90-99% 即可接受，或仅需气态产品的场景中，通常会选择变压吸附（PSA）或膜分离系统以提高成本效益。尽管如此，紧凑型低温装置的出现扩大了低温空气分离技术的应用范围，使得即使是规模较小的操作（或偏远地区）也能在没有全尺寸工厂的情况下获得高纯度气体。
非低温空气分离方法（PSA、VPSA、膜分离）
为了以比低温空气分离更经济的方式供应低纯度或小规模的氧气和氮气，目前有多种非低温空气分离技术可供选择。这些技术无需低温空气分离，可在常温下运行，并以牺牲部分纯度为代价换取了简便性。最常见的两大类是吸附式系统和膜分离式系统。它们无需低温制冷，而是利用其他物理机制分离空气。虽然它们的纯度和产量无法与低温设备相媲美，但在易用性、中等产量下的节能以及快速启动等方面具有显著优势。下文将探讨几种主要的非低温空气分离方法及其比较。
变压吸附（PSA 和 VPSA）
变压吸附 (PSA) 是一种广泛用于现场制气的方法，它利用环境温度下的选择性吸附，避免了低温冷却。PSA 系统通过将压缩空气送入装有吸附剂（例如沸石分子筛或活性炭）的容器中来分离气体，这些吸附剂对空气中的某种组分具有亲和力。在一个典型的 PSA 制氧机中，空气被压缩到适中的压力并送入沸石床。沸石优先吸附空气中的氮气，因此离开容器的气体是富氧气体。短时间内，吸附剂床被捕获的氮气饱和。然后系统切换到第二个吸附剂床（使第一个吸附剂床再生）。第一个吸附剂床减压，将捕获的氮气释放到大气中。通过在两个或多个床层中交替进行吸附（高压）和解吸（低压），PSA 装置可以产生近乎连续的产品气体流。
变压吸附 (PSA) 制氧机通常可提供纯度约为 90-95% 的氧气。剩余的 5-10% 主要为氩气（未被沸石吸附，因此与氧气共存），以及少量未被吸附的氮气。这种纯度足以满足许多用途：例如，废水处理曝气、某些玻璃和金属生产工艺、纸浆和纸张漂白，以及在监管机构允许氧气纯度约为 93% 的地区用于医用氧气。PSA 系统在这些应用中广受欢迎，因为它们相对简单且即插即用。PSA 装置可在几分钟内启动和停止，仅需电力（主要用于运行空气压缩机），并且需要定期维护，例如更换过滤器和筛网，而无需复杂的低温设备。
对于氮气生产，PSA装置配置有吸附剂（通常是碳分子筛），用于捕获氧气而非氧气，因此产品气体为氮气。PSA制氮机可实现比氧气更高的氮气纯度。设计良好的PSA系统通常可产生纯度为95%至99.9%的氮气，因为氧气会被优先去除。这些制氮机广泛用于提供惰性气氛，例如食品包装和保鲜、电子产品制造（防止氧化）、激光切割以及易燃液体储罐的惰性化。通过调整循环参数和使用多个吸附床，PSA制氮系统可以提高氮气纯度，但会降低效率（更高的氮气纯度意味着需要去除更多的空气来去除剩余的氧气）。
真空变压吸附 (VPSA) 技术是该技术的变体，主要用于大规模制氧。VPSA 遵循相同的吸附原理，但其吸附过程在接近环境压力下进行，然后在再生过程中对吸附床施加真空泵，以抽出解吸的气体。实际上，VPSA 系统使用鼓风机代替高压压缩机，并利用真空使吸附床更充分地再生。因此，在日产 10-100 吨氧气的规模下，VPSA 的能源效率更高。VPSA 制氧装置仍能产生约 90-95% 的氧气（同样受到氩气限制），但其单位氧气的能耗通常低于同等规模的高压变压吸附 (PSA) 装置。正因如此，许多日产数十吨的工业现场制氧厂都采用 VPSA 技术。除了压力状态和一些设备差异外，VPSA 在操作上与 PSA 类似（这两个术语经常一起提及，因为它们交付的产品质量相似）。
In summary, PSA/VPSA systems offer:
- 与低温空分装置相比，前期成本和复杂性更低（它们不需要高大的蒸馏塔、低温换热器或复杂的隔热层）。
- 启动迅速，响应灵敏，使其非常适合间歇性或波动性需求的运营。它们通电后几分钟内即可生产出可用产品，并且可以根据需要降低产量或关闭，无需复杂的操作流程。
- 适中的能耗 即可获得如此高纯度的氧气。例如，一台中型变压吸附式制氧机每生产1 Nm³氧气，耗电量约为0.3–0.6 kWh（主要用于空气压缩），对于纯度高达93%的氧气而言，这已经是非常高效的了。与低温制氧机不同，它无需制冷，从而避免了额外的成本。
- 模块化可扩展性适用于中小规模生产。需要更多产能？可并行添加额外的PSA单元。模块化设计还意味着更短的制造和安装时间，许多系统都提供集装箱式或撬装式包装。
缺点在于，PSA 和 VPSA 无法达到低温蒸馏所能达到的极高纯度。如果需要纯度高于 99% 的氧气，由于氩气和残留氮气的穿透，这些吸附方法根本无法满足要求。它们也无法生产液态氧或液氮；输出始终是气体（通常以几巴的压力输送，适合通过管道输送到工艺流程或充装气瓶）。此外，虽然 PSA 装置可以模块化放大，但超过一定规模后，建造一个大型低温装置可能比建造多个小型 PSA 装置更具经济效益。在需要超高纯度或液化产品的情况下，低温空气分离通常是唯一可行的选择。
基于膜的空气分离
膜分离技术提供了一种无需低温即可获得富氧或富氮空气的途径。这些系统使用由特殊聚合物制成的中空纤维膜组件，这种聚合物能够选择性地允许某种气体比其他气体更快地通过。压缩空气被引入膜组件，由于气体扩散性和在膜材料中的溶解度存在差异，空气中的一种成分更容易渗透穿过膜壁。
对于氮气生产，膜分离器的设计使得氧气（以及水蒸气和二氧化碳）作为“快速”气体从纤维中渗透出来，从而在模块末端留下富氮、缺氧的气流作为主要产品。空气经过膜分离器后，产品气体的氮气纯度可达95%至99%左右，具体纯度取决于设计。然而，这其中存在权衡：追求更高的氮气纯度（接近该范围的上限）意味着必须将更大比例的进气作为废气排放，这会降低整体回收率并增加单位成本。实际上，许多膜分离制氮系统的氮气纯度设定在95%至98%左右，这足以满足储罐惰性化、消防系统和食品加工等应用的需求，因为这些应用并不需要超高纯度的氮气。膜式 N₂ 发生器特别适用于远程或移动应用（例如海上石油平台或海上惰性气体装置），因为它们结构紧凑、坚固耐用（没有玻璃容器或精密的低温机械），并且只要有压缩空气供应就可以运行。
对于富氧过程，情况则相反：氧气是流动速度更快的气体。氧气膜分离装置以空气为原料，产生富氧渗透液。由于膜选择性的限制，富氧输出通常只有30-40%的氧气（其余部分主要是氮气，也会透过膜）。这种富氧程度可用于某些燃烧过程或生物反应器的进料，在某些情况下也应用于医用氧气浓缩器。但膜分离系统无法经济高效地生产90%以上的医用级氧气——要达到这个目标需要多级分离，而且性能仍然不及PSA（变压吸附）技术。因此，在生产高纯度氧气方面，膜分离技术通常无法与PSA技术竞争；相反，膜分离技术的优势在于适度富氧或只需少量提升氧气浓度的场合。
膜分离系统的优势在于其简便可靠。分离模块本身没有活动部件——系统主要由空气压缩机、过滤器和膜组件组成。维护量极少（主要包括保持压缩机运转和更换过滤器）。膜分离装置非常紧凑，且通常采用模块化设计；例如，一台每小时产出几百立方米氮气的装置可能只有冰箱大小，而更大的系统仍然比同等功率的变压吸附（PSA）或低温装置小得多、轻得多。它们还具有即时启停功能——只要有压缩空气，所需的产物气体就会立即开始流动，如果需求停止，只需排放废气或停止空气供应即可使系统停止运行。这使得膜分离系统非常适合按需使用或需要频繁启停的运行。
膜分离的缺点在于，它无法实现最高的纯度或气体的完全分离。如前所述，单级膜分离得到的富氧气流中氧气含量最高约为40%，即使是氮气产品的纯度通常也仅限于90%以上，超过这个值收益递减。此外，与变压吸附（PSA）装置一样，膜分离系统只能产生气相产品，无法液化输出物。如果应用需要极高纯度的氮气（例如，电子行业所需的99.99%）或大量的氧气，则应选择低温空气分离装置。膜分离在中小规模应用中发挥着重要作用，但对于纯度和产量要求较高的应用，它只能作为低温装置的补充，而不能替代低温装置。
空气分离技术的性能比较
为了突出低温空气分离为何仍然是高纯氧气和氮气的首选方法，有必要对主要技术的关键性能指标进行并列比较。下表总结了低温空气分离、PSA/VPSA 和膜分离的几个重要特性：
| 特征 | 低温空气单元 (Distillation) | PSA / VPSA (Adsorption) | 膜分离 |
|---|---|---|---|
| 最大氧气纯度 | ~99–99.9% O₂（超高纯度） | 氧气含量约为90-95%（受氩气影响） | 氧气含量约30-40%（富氧空气） |
| 最大氮气纯度 | ~99.999% N₂（超高纯度） | 氮气纯度~95–99.9%（可实现高纯度） | 氮气纯度~95–99%（中高纯度） |
| 典型容量范围 | 大规模： 每列火车每小时 500 至 10,000+ Nm³（可扩展至每天数千吨） | 小型至中型： 每台设备处理量为 1 至 1,000 Nm³/h（可模块化扩展） | 小规模：每台设备最高可达几百 Nm³/h（通常<500 Nm³/h） |
| 单位能源利用率 | 高：包括制冷负荷（能耗最高，但大规模运行时单位效率更高） | 中等：主要指压缩机功率（适用于中等规模的输出功率） | 低：仅空气压缩（无相变能量损失） |
| 启动时间 | 冷却时间长：最适合 24/7 全天候连续运行 | 启动/停止时间短：分钟；适合间歇使用 | 非常短：基本上是按需供应；瞬间供气。 |
| 产品形式 | 气体和液体：可输送气态产品并储存液态O₂/N₂。 | 仅限气体：不含液化产品（现场使用或钢瓶充装） | 仅含气体：不含液化产品（仅限现场使用） |
| 多气体能力 | 是的：一台工厂（通过添加设备）可以同时生产氧气、氮气和氩气。 | 否：通常一次只用于一种气体（O₂ 或 N₂）。 | 否：每个系统都针对一种产品（富氮气体或富氧空气）。 |
| 占地面积和尺寸 | 大型：需要大量空间（高大的蒸馏塔、冷却系统） | 中等：紧凑型托盘或集装箱（在给定产量下占地面积小） | 小型： 提供非常紧凑轻便的设备 |
（Nm³/h = 标准条件下每小时的正常立方米数）
从以上对比可以看出，低温空气分离在纯度和最大处理量方面远优于变压吸附（PSA）和膜分离系统。当需要超纯氧或氮气时，低温技术是唯一能够持续满足所需规格的技术。同样，对于超大批量生产（日产量达数十万立方米），低温工厂也几乎是唯一可行的选择。
就能源效率而言，情况取决于具体应用场景。在规模较小、纯度较低的情况下，低温装置的能源效率较低——它们在制冷方面消耗大量能量，而PSA或膜分离系统则无需这些能量。例如，通过低温空分装置生产一吨99.5%的氧气可能需要消耗200-250千瓦时，而通过PSA生产一吨约93%的氧气可能只需要消耗一小部分能量（因为仅涉及压缩功）。然而，在超大规模生产或生产液态产品时，低温空分装置的能源效率更具竞争力。通过利用工艺集成和规模经济，现代低温装置已显著降低了大型装置单位气体的千瓦时成本。对于中等纯度的气体，PSA系统的每立方米能耗相对较低，因此对于中小规模生产而言极具吸引力。对于适度的富集，膜系统通常具有最低的单位能耗（因为它们避免了高压缩和低温冷却），但它们的分离能力有限。
另一个重要的区别在于运行灵活性。低温装置的设计目标是稳定、连续运行，它们难以应对快速变化或频繁的开关循环。如果低温空分装置停机，可能需要数小时才能冷却并恢复产品供应，因此这类装置在恒定负荷下运行效率最高。而变压吸附 (PSA) 和膜分离装置则在需求变化的情况下表现出色。PSA 装置可以通过调整循环时间来提高或降低产量，并且可以在夜间或周末完全关闭，最大限度地减少损耗。由于膜分离是被动的，因此几乎可以瞬间调节或停止膜分离装置的产量；操作人员可以通过控制进气量，在任何给定时刻生产所需的气体量。这使得非低温方法非常适合间歇性或备用用途，而低温方法则非常适合基本负荷、连续供应。
为什么低温空气分离是黄金标准
考虑到上述因素，就不难理解为什么低温空气分离仍然是生产高纯度氧气和氮气的黄金标准。最主要的原因是纯度：许多关键应用根本无法容忍变压吸附 (PSA) 或膜分离系统提供的较低纯度。例如，半导体制造厂需要纯度为 99.999% 的氮气，以避免污染敏感工艺；制药企业通常需要几乎不含杂质的氧气用于氧化反应。低温蒸馏是唯一能够大规模常规实现如此高纯度的工业技术。它不仅能去除大部分不需要的成分（无论是氧气还是氮气），还能去除其他痕量气体（氩气、氖气、氦气、水分），而这些物质在小规模生产方法中往往会混杂在一起。
另一个决定性因素是规模和吞吐量。当为整个工业园区或地区供应氧气或氮气时，涉及的量非常巨大——每天可能高达数百万立方米。低温空分装置 (ASU) 已被证明能够满足这样的需求：目前运行的最大型装置每台每天可生产约 2,000 至 4,000 吨氧气（同时联产氮气和氩气）。试图用数十台变压吸附 (PSA) 装置或膜组件来实现类似的产量，无论从运行还是维护的角度来看，都是不切实际且效率低下的。一座大型低温装置通常可以取代原本需要庞大的小型发生器网络，从而提供更好的控制、可靠性和规模经济效益。低温装置实现的集中式生产模式也意味着气体公司可以高效地生产液态产品进行分销，这是分散的 PSA 装置永远无法实现的。
低温空气分离技术能够提供多种产品（氧气、氮气、氩气，以及在特殊装置中有时还能提供氪气/氙气等），并且既能提供气态产品也能提供液态产品，这使其具有战略优势。工业气体供应商依赖低温装置作为其供应链的支柱——它们可以将气态产品直接输送给附近的大型用户，同时还能将液态产品灌装到油罐车中，为远距离客户提供服务。例如，医院可能会为了节省成本而使用变压吸附装置（PSA）在现场制取部分氧气，但仍然需要从低温装置输送液氧作为备用，以确保供应安全。在航空航天或火箭发射设施中，通常只有低温系统才能提供所需的大量氧化剂（并且以液态形式储存）。这些例子表明，低温空气分离装置在高性能领域占据着不可替代的地位。
尽管如此，PSA、VPSA 和膜分离技术已成为低温装置的宝贵补充。它们为小批量、低纯度需求提供了更经济便捷的解决方案。实际上，许多行业采用多种技术的组合：对于常规惰性气体处理或少量氧气需求，可以使用现场的 PSA 或膜分离装置；而对于最高纯度或大批量供应，则需要引入低温来源的液体和气体。这种混合方法确保了成本效益，同时在关键环节保证了质量。非低温系统也在不断改进（例如，更优质的吸附剂和膜材料正在提升其性能），但其固有的局限性意味着它们不太可能在高端领域完全取代低温系统。
总之，低温空气分离仍然是高纯氧气和氮气生产的黄金标准，因为它具备其他方法无法完全匹敌的能力。当工艺需要绝对最高纯度的氧气或氮气，或者所需体积巨大时，低温技术便脱颖而出，成为可靠的解决方案。它能够在一次操作中生产液态产品和多种气体，进一步巩固了其在工业气体行业的核心地位。对于评估空气分离方案的研究人员和技术专业人员而言，低温空气分离装置（ASU）仍然是性能的标杆——定义了纯度和规模所能达到的极限。虽然非低温方法将继续发挥重要作用并在效率方面不断进步，但低温空气分离在大规模生产超纯氧气和氮气方面仍然保持着卓越的地位，确保其在可预见的未来仍将是高纯气体供应的基石。
